Лазеры, виды, теория ,Принципы лазерной техники

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про лазер, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое лазер, мазер, спазер, лазерная техника , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Квантовая электроника.

Введение

лазер — квантовый генератор, источник когерентного монохроматического электромагнитного излучения оптического диапазона. Обычно состоит из трех основных элементов:

• Источник энергии (механизм «накачки» лазера).
• Рабочее тело лазера.
• Система зеркал («оптический резонатор»).

Лазер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения), оптический ква́нтовый генератор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

спазер (от англ. Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation) — плазмонный наноисточник оптического излучения, аналогичный лазеру. Механизм генерации света при помощи плазмонов был описан Бергманом и Штокманом в 2003 году . Первый действующий спазер создан в 2009 году группой физиков из Пердью, Норфолкского и Корнеллского университетов . Он представлял собой 44-нанометровую сферу с золотой наночастицей в сферической оболочке из оксида кремния, которая содержит органический краситель Oregon Green 488.Спазер или плазмонный лазер - это тип лазера , целью которого является удержание света в субволновом масштабе, намного ниже рэлеевского предела дифракции света , за счет накопления части энергии света в электронных колебаниях, называемых поверхностными плазмон-поляритонами .

Ма́зер (англ. maser) — квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны). Его название — сокращение фразы «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (microwave amplification by stimulated emission of radiation) — было предложено в 1954 году американцем Ч. Таунсом, одним из его создателей. Кроме Таунса к открытию непосредственного принципа работы квантового генератора причастны советские ученые А. М. Прохоров, Н. Г. Басов, а также американцы Дж. Вебер, Д. Гордон и Г. Цейгер. В 1964 году Прохорову, Басову и Таунсу была присуждена Нобелевская премия по физике «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на принципе лазера — мазер а».Изначально, после изобретения, считалось, что мазер — чисто человеческое творение, однако позже астрономы обнаружили, что некоторые астрономические объекты работают как мазеры. В огромных газовых облаках, размером в миллиарды километров, возникают условия для генерации, а источником накачки служит космическое излучение. Мазеры используются в технике (в частности, в космической связи), в физических исследованиях, а также как квантовые генераторы стандартной частоты

Исполнилось более 50 лет со дня появления первых лазеров, открывших начало новой лазерной эры в истории развития науки и техники. Этот период действительно можно назвать новой эрой, т. к. динамика развития, глобальность использования в различных областях человеческой деятельности, масштаб влияния на качество жизни и еще не осознанные до конца дальнейшие перспективы расширения сфер воздействия этого достижения позволяют рассматривать лазерную технологию как одно из самых замечательных открытий ХХ века.

Созданию лазеров человечество, прежде всего, обязано глубоким теоретическим разработкам в области квантовой физики, электроники, оптики ряда величайших ученых прошлого столетия: А. Эйнштейна, А. Прохорова, Н. Басова, Ч. Таунса, А. Меймана, Дж., Гоулда и многих других. Первоначально лазерное излучение с его уникальными свойствами рассматривалось прежде всего как возможное новое мощное оружие для поражения живой силы и техники. Поэтому наиболее индустриально развитые страны направили на развитие новой отрасли огромные ресурсы, что позволило обнаружить и другие перспективные области использование лазерной техники и технологии. В Украине первые исследования по созданию лазеров были инициированы в Институте физики, Институте физики полупроводников и других организациях АНУ. Первые исследования в области использования лазерного излучения для обработки материалов были начаты в Киевском политехническом институте (КПИ) в 1964 г., а в 1967 г. в издательстве «Техника» (Киев) была опубликована первая в мире монография в этой области: Картавов С.А., Коваленко В.С. «Применение оптических квантовых генераторов (ОКГ) для технологических целей».

Первые лазеры на твердом теле — рубине генерировали излучение в импульсном режиме с очень малой частотой и энергией в импульсе. Их КП также был очень мал (десятые доли процента). Поэтому их использовали в основном для прошивки прецизионных отверстий малых диаметром в труднообрабатываемых материалах. Позже появились более эффективные лазеры на неодимовом стекле, а также газовые лазеры на СО2. Газовые лазеры генерируют как импульсное излучение с высокой частотой, так и непрерывное излучение. Мощность излучения уже измеряется сотнями ватт и десятками киловатт. К.п.д. таких лазеров не превышает 10 %, поэтому оборудование довольно громоздко из-за габаритных и мощных систем охлаждения. Разработаны вполне надежные эксимерные лазеры, генерирующие излучения в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра. В последние годы нашли широкое распространение новые разработки диодных лазеров, обладающие высоким к.п.д. Их также используют для накачки твердотельных лазеров вместо менее эффективных газоразрядных ламп накачки. В технологии уже нашли широкое применение мощные (до нескольких кВт) диодные лазеры, позволяющие создать компактное оборудование для промышленных целей. Самой значительной разработкой последнего времени можно считать создание широкой гаммы оптоволоконных лазеров мощностью до нескольких кВт с к.п.д. до 60 % и выше. Такие современные лазерные системы встраиваются в роботизированные технологические комплексы и находят широкое применение в различных отраслях промышленности — электронной, автомобильной, аэрокосмической и др.

С момента своего изобретения лазеры зарекомендовали себя как «готовые решения еще не известных проблем». В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту (проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, лазерные указки и пр.). В промышленности лазеры используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (к примеру, керамику и металл). Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике (так называемое лазерное скрайбирование). Лазеры используются для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) с целью повышения их износостойкости. Широкое применение получила также лазерная маркировка промышленных образцов и гравировка изделий из различных материалов. При лазерной обработке материалов на них не оказывается механическое воздействие, поэтому возникают лишь незначительные деформации. Кроме того, весь технологический процесс может быть полностью автоматизирован. Лазерная обработка потому характеризуется высокой точностью и производительностью.

Лазеры применяются в голографии для создания самих голограмм и получения гологафического объемного изображения. Некоторые лазеры, например лазеры на красителях, способны генерировать монохроматический свет практически любой длины волны, при этом импульсы излучения могут достигать 10⁻¹⁶ с, а следовательно и огромных мощностей (так называемые гигантские импульсы). Эти свойства используются в спектроскопии, а также при изучении нелинейных оптических эффектов. С использованием лазера удалось измерить расстояние до Луны с точностью до нескольких сантиметров. Лазерная локация космических объектов уточнила значения ряда фундаментальных астрономических постоянных и способствовала уточнению параметров космической навигации, расширила представления о строении атмосферы и поверхности планет Солнечной системы В астрономических телескопах, снабженных адаптивной оптической системой коррекции атмосферных искажений, лазер применяют для создания искусственных опорных звезд в верхних слоях атмосферы.

Применение лазеров в метрологии и измерительной технике не ограничивается измерением расстояний. Лазеры находят здесь разнообразнейшее применение: для измерения времени, давления, температуры, скорости потоков жидкостей и газов, угловой скорости (лазерный гироскоп), концентрации веществ, оптической плотности, разнообразных оптических параметров и характеристик, в виброметрии и др.

Сверхкороткие импульсы лазерного излучения используются в лазерной химии для запуска и анализа химических реакций. Здесь лазерное излучение позволяет обеспечить точную локализацию, дозированность, абсолютную стерильность и высокую скорость ввода энергии в систему В настоящее время разрабатываются различные системы лазерного охлаждения рассматриваются возможности осуществления с помощью лазеров управляемого термоядерного синтеза. Лазеры используются и в военных целях, например, в качестве средств наведения и прицеливания. Рассматриваются варианты создания на основе мощных лазеров боевых систем защиты воздушного, морского и наземного базирования

В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения и др.). Широкое применение получили также в косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен)

В настоящее время бурно развивается так называемая лазерная связь. Известно, что чем выше несущая частота канала связи, тем больше его пропускная способность Поэтому радиосвязь стремится переходить на все более короткие длины волн. Длина световой волны в среднем на шесть порядков меньше длины волны радиодиапазона, поэтому посредством лазерного излучения возможна передача гораздо большего объема информации. Лазерная связь осуществляется как по открытым, так и по закрытым световодным структурам, например, по оптическому волокну. Свет за счет явления полного внутреннего отражения может распространяться по нему на большие расстояния, практически не ослабевая Лазером, обеспечивающим максимальную мощность в импульсе, на данный момент является Техасский петаваттный лазер (1,1 ПВт).

Даже этот небольшой перечень достижений за прошедший период свидетельствует о том, что лазерной технологии еще далеко до насыщения, интенсивное развитие успешно продолжается и ожидается дальнейшее широкое ее распространение во всех областях деятельности человека

Принципы лазерной техники

Развитие теоретических принципов лазерной техники

Изучение принципов лазерной техники следует с экскурса в историю изучения природы света. Первые представления о природе света были заложены в глубокой древности. Греческий философ Платон (427–327 гг до н.э.) создал одну из первых теорий света. Евклид и Аристотель (300–250 гг до н.э.) опытным путем установили такие основные законы оптических явлений, как прямолинейное распространение света и независимость световых пучков, отражение и преломление. Аристотель впервые объяснил сущность зрения.

Несмотря на то, что теоретические положения древних философов, а позднее и ученых средних веков, были недостаточными и противоречивыми, они способствовали формированию правильных взглядов на сущность световых явлений и положили начало дальнейшему развития теории света и созданию разнообразных оптических приборов. По мере накопления новых исследований о свойствах световых явлений изменилась точка зрения на природу света. Ученые считают, что историю изучения природы света следует начинать с XVII века.

В средние века стали известны эмпирические правила построения изображений, даваемых линзами. В 1590 г. З. Янсен построил первый микроскоп, в 1609 г. Г. Галилей изобрел телескоп. Количественный закон преломления света при прохождении границы раздела двух сред установил в 1620 г. В. Снеллиус. Математическая запись этого закона в виде , принадлежит Р. Декарту (1637 г.) Он же попытался объяснить этот закон исходя из корпускулярной теории. Впоследствии формулировкой принципа Ферма (1660 г.) был завершен фундамент построения геометрической оптики. Дальнейшее развитие оптики связано с открытиями дифракции и интерференции света (Ф. Гримальди, 1665 г.), двойного лучепреломления (Э. Бартолин, 1669 г.) и с работами И. Ньютона, Р. Гука, Х. Гюйгенса.

В конце XVII века на основе многовекового опыта и развития представлений о свете возникли две мощные теории света – корпускулярная (Ньютон – Декарт) и волновая (Гук – Гюйгенс).Корпускулярные воззрения на природу света И. Ньютон развил в стройную теорию истечения. Свет – корпускулы, испускаемые телами и летящие с огромной скоростью. К анализу движения световых корпускул Ньютон, естественно, применил сформулированные им законы механики. Из этих представлений он легко вывел законы отражения и преломления света

Однако из рассуждений Ньютона следовало, что скорость света в веществе больше скорости света в вакууме: .

Кроме того, в 1666 г. Ньютон показал, что белый свет является составным и содержит «чистые цвета», каждый из которых характеризуется своей преломляемостью (рис. 7.12), т.е. дал понятие дисперсии света. Эта особенность была объяснена различием масс корпускул.

В то же время в XVII в. (наряду с концепцией Декарта – Ньютона) развивалась противоположная, волновая теория Гука – Гюйгенса о том, что свет есть процесс распространения продольных деформаций в некоторой среде, пронизывающей все тело, – в мировом эфире.

К концу XVII в. в оптике сложилось весьма своеобразное положение. И та и другая теории объясняли основные оптические закономерности: прямолинейность распространения, законы отражения и преломления. Дальнейшие попытки более полного объяснения наблюдаемых фактов приводили к затруднению в обеих теориях.

Гюйгенс не смог объяснить физической причины наличия различных цветов и механизм изменения скорости распространения света в эфире, пронизывающем различные среды.

Ньютону трудно было объяснить, почему при падении на границу двух сред происходит частичное и отражение, и преломление, а также интерференцию и дисперсию света. Однако огромный авторитет Ньютона и незавершенность волновой теории привели к тому, что весь XVIII в. прошел под знаком корпускулярной теории.

Начало XIX в. характеризуется интенсивным развитием математической теории колебаний и волн и ее приложением к объяснению ряда оптических явлений. В связи с работами Т. Юнга и О. Френеля победа временно перешла к волновой оптике.

• · 1801 г. Т. Юнг формулирует принцип интерференции и объяснил цвета тонких пленок.
• · 1818 г. О. Френель объясняет явление дифракции.
• · 1840 г. О. Френель и Д. Арго исследуют интерференцию поляризованного света и доказывают поперечность световых колебаний.
• · 1841 г. О. Френель строит теорию кристаллооптических колебаний.
• · 1849 г. А. Физо измерил скорость света и рассчитал по волновой теории коэффициент преломления воды , что совпало с экспериментом.
• · 1848 г. М. Фарадей открыл вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея).
• · 1860 г. Дж. Максвелл, основываясь на открытии Фарадея, пришел к выводу, что свет есть электромагнитные волны, а не упругие.
• · 1888 г. Г. Герц экспериментально подтвердил, что электромагнитное поле распространяется со скоростью света с.
• · 1899 г. П.Н. Лебедев измерил давление света.

Казалось, что спор полностью решен в пользу волновой теории света, так как в середине XIX в. были обнаружены факты, указывающие на связь и аналогию оптических и электрических явлений. Фарадеем, Максвеллом и другими учеными было показано, что свет – частный случай электромагнитной волны с . Только этот интервал длин волн оказывает воздействие на наш глаз и является собственно светом. Но и более длинные и более короткие волны имеют одну и ту же природу, что и свет.

Однако, несмотря на огромные успехи в электромагнитной теории света, к концу XIX в. начали накапливаться новые факты, противоречащие волновой теории света. Волновая теория не смогла объяснить распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела и явление фотоэффекта, которое в 1890 г. исследовал А.Г. Столетов.

На рубеже XIX и XX веков лорд Кельвин вдохновенно провозглашал тост за здоровье физиков XIX века, которые построили величественное здание физики, и оставили XX веку лишь возможность уточнять знаки после запятой в мировых константах, введенных в XIX веке. Вместе с тем в своей лекции, «прочитанной в Королевском обществе 27 апреля 1900 года, с названием «Тучи XIX века над динамической теорией теплоты и света» он прозорливо отмечал: «Красота и ясность динамической теории, принимающей тепло и свет за формы движения, в настоящее время затмевается двумя тучами».

Первая «туча» по Кельвину связана с известными опытами Майкель-сона—Морли, вторая касается противоречия между распределением энергии согласно Максвеллу—Больцману и экспериментальными данными об удельных теплоемкостях газов при учете колебательных и вращательных степеней свободы. Вторая проблема оказалась связанной с проблемой излучения черного тела. Теперь мы знаем, что из первой «тучи» в дальнейшем выросла теория относительности, а из второй — современная квантовая физика. Рассмотрим ранний этап развития второй «тучи». Ее история связана с открытием Планком универсальной физической постоянной, названной его именем. Открытие постоянной Планка явилось результатом разрешения трудностей и противоречий в объяснении опытных фактов, связанных с проблемой излучения абсолютно черного тела.

В 1859 году немецкий физик Густав Кирхгоф (G Kirchhoffi 1824-1887) открыл важный закон, который сыграл большую роль в развитии представлений об излучении нагретых тел.

Используя общие законы термодинамики, Кирхгоф показал, что в состоянии теплового равновесия, независимо от вещества и устройства тела (прибора), отношение излучательной способности нагретого тела к его по-глощательной способности является универсальной функцией. Эта функция, которую называют функцией Кирхгофа K(v,T), определяется только частотой излучения v и абсолютной температурой Т. Вывод закона Кирхгофа основывался на твердо установленных общих принципах термодинамики, в частности, на невозможности «перпетуум мобиле второго рода», т. е. невозможности получения энергии за счет перехода тепла от холодного тела к горячему. Как и законы термодинамики, закон Кирхгофа имеет общий характер. После установления этого закона возникла проблема нахождения функции Кирхгофа, или связанной с ней функции

Эту функцию называют спектральной плотностью излучения. Она имеет смысл плотности энергии излучения, приходящейся на единичный интервал частоты. Если просуммировать величину pv по всем частотам, характеризующим излучение, то получится плотность энергии излучения, т. е. энергия излучения в единице объема. Излучательная способность максимальна у тех тел, которые поглощают всю падающую на них энергию. Такие тела Кирхгоф в 1860 году назвал абсолютно черными. Практически черное тело можно изготовить в виде полости с непроницаемыми равномерно нагретыми стенками. Некоторым подобием такого типа ловушки для излучения является комната с одним окном, особенно зеркальным: если смотреть в комнату через окно, то комната кажется темной, потому что свет, проникающий через окно, почти целиком поглощается стенками и отражается стеклом и лишь небольшая его часть выходит снова наружу. Внутри полости в результате многократных испусканий и поглощений излучения при данной температуре устанавливается тепловое равновесие. Это и есть излучение черного тела. Его можно наблюдать, проделав в стенке полости небольшое отверстие. Энергия, излучаемая через это отверстие, считается равной энергии излучения черного тела при данной температуре. Измерить спектральную плотность излучения оказалось довольно трудно. Одним из первых такие измерения проводил американский физик Семюэл Ленгли (S. Langley, 1834-1906), который для этой цели изобрел специальный прибор — болометр. В 1886 году он получил данные о распределении энергии в спектре теплового излучения зачерненных сажей источников в далекой инфракрасной области (Я = 5,3 мкм).

В это же время немецкие физики под руководством Отто Люммера (О. Lummer, 1860-1925) создавали высокочувствительные приемники излучения, с помощью которых была существенно повышена точность измерений. Они разрабатывали также различные модели абсолютно черного тела. В 1893-1894 годах немецкий физик Вильгельм Вин (W. Wien, 1864-1928) пришел к выводу, что спектральная плотность излучения черного тела должна описываться, в общем, формулой pv{T) = v3F(v/T), ще F(v/T) — функция, конкретный вид которой в то время оставался неопределенным. Но уже из такого общего выражения следовало, что кривая распределения спектральной плотности излучения черного тела должна иметь максимум, и длина волны, которая соответствует этому максимуму, обратно пропорциональна абсолютной температуре тела: Я^Т = Const = 0,2898 см-град. Так был открыт закон смещения Вина. Используя гипотезу российского физика В. А. Михельсона (1860-1927) о том, что распределение энергии излучения по частотам аналогично распределению молекул газа по скоростям, Вин в 1896 году предложил эмпирическую формулу, которая определяла спектральную плотность излучения уже в явном виде.

За открытие законов излучения в 1911 году Вину была присуждена Нобелевская премия.

В 1899-1900 годах Отто Люммер, Фердинанд Курлбаум (F. Kurlbaum, 1857-1927), Эрнст Прингсхейм (Е. Pringsheim, 1881-1964) и Генрих Рубенс (Я. Rubens, 1865-1922) проводили измерения спектральной плотности энергии излучения. На рис. 2.1 показана зависимость спектральной плотности излучения от длины волны (в мкм) при разных температурах. Из экспериментов следовало, что формула Вина справедлива лишь в области коротких волн (или при достаточно низких температурах).

В 1900 году лорд Рэлей (Джон Стретт, J. Rayleigh, 1842-1919) на основе известного закона кинетической теории о равномерном распределении энергии по степеням свободы получил другую формулу для распределения энергии в спектре абсолютно черного тела: pv(T) = Cv2T , где С — некоторая величина, не зависящая от температуры. Вывод этой формулы в дальнейшем уточнил Джеймс Джине (J. Jeans, 1877-1946).

Рис. 2.1

Эксперимент показал, что в области длинных волн (или при достаточно высоких температурах) спектральная плотность излучения пропорциональна температуре, что соответствует формуле Рэлея—Джинса. Эту формулу вначале пытались применить ко всей области частот (или длин волн), что явно приводило к абсурду. Действительно, суммирование по всем частотам от нуля до бесконечности приводит к тому, что плотность энергии излучения оказывается бесконечно большой, что физически бессмысленно. Из формулы Рэлея—Джинса следует, что большая часть энергии в спектре теплового излучения приходится на коротковолновую, или, как говорят, на ультрафиолетовую часть, что противоречит эксперименту. Возникшее противоречие один из основоположников квантовой теории

Пауль Эренфест (P. Ehrenfest, 1880-1933) назвал «ультрафиолетовой катастрофой», или парадоксом Рэлея—Джинса. По этому поводу патриарх классической физики Хендрик Лоренц (Я Lorentz, 1853-1928) отмечал, что «уравнения классической физики оказались неспособными объяснить, почему угасшая печь не испускает желтых лучей наряду с излучением больших длин волн».

Среди многих физиков конца XIX века, пытавшихся найти выражение для спектральной функции pv (или рх ), которое согласовалось бы с экспериментальными данными, был Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (М. Planck, 1858-1947).

Макс Планк был учеником Гельмгольца и Кирхгофа. Учился в Мюнхенском университете. При выборе профессии он колебался между античной филологией, физикой и музыкой. Профессор Мюнхенского университета Филипп фон Жолли (von Jolly), считая, что после установления закона сохранения энергии, других открытий не предвидится, не советовал Планку заниматься физикой. К счастью, юный Планк не последовал этому совету. Его работы относятся к теории теплового излучения, термодинамике, теории относительности, квантовой теории, истории физики. Это он ввел термин «теория относительности». Планк умер в октябре 1947 года в Геттингене.

Планку впервые удалось получить формулу, объясняющую все свойства теплового излучения черного тела. Зная недостатки формулы Вина, Планк настойчиво пытался ее улучшить. Многими годами позже он вспоминал, что знаменитая формула была найдена им в воскресенье, 7 октября 1900 года. По его словам, в этот день к нему в гости пришел его коллега физик-экспериментатор Рубенс. Во время беседы Рубенс рассказал о недавних экспериментах, из которых следовало, что для коротких длин волн интенсивность излучения достаточно хорошо описывается законом Вина, а для длинных волн интенсивность пропорциональна температуре. В тот же вечер, по свидетельству Планка, он получил интерполяционную формулу для функции рЛ , которая при малых длинах волн переходила в формулу Вина, а в случае больших длин волн содержала прямую пропорциональную

продолжение следует...

Продолжение:

Часть 1 Лазеры, виды, теория ,Принципы лазерной техники
Часть 2 - Лазеры, виды, теория ,Принципы лазерной техники
Часть 3 - Лазеры, виды, теория ,Принципы лазерной техники
Часть 4 Разработка проблем волоконной оптики - Лазеры, виды, теория ,Принципы лазерной